电子芯片的发展及应用

电子芯片的发展及应用

1．抗氧或辐射作用材料自1988年发现巨磁电阻（pmr）以来，磁电子功能材料及其相关的自旋电子芯片受到了西方工业化国家和公司的高度重视，并在国际上掀起了磁电子材料和设备的研究和工业化的浪潮。区别于微电子芯片,自旋电子芯片不仅利用电子的电荷属性,也利用和操控其自旋特性,具有高集成化、低能耗、高速度、高灵敏度、防辐射等优点,其可将现代信息技术中的信息获取、传递、处理、存储等环节有机地结合在一起。自旋电子芯片是突破微电子器件受到摩尔定律限制的一个重要研究方向,其研究和产业化有可能引发第四次科技革命。目前处于产业化阶段的自旋电子材料即磁电子功能材料(包括GMR效应和隧穿磁电阻(TMR)效应材料)具有巨大的应用和市场前景。比如,GMR和TMR传感读头在计算机硬盘上应用,已使硬盘的存储密度提高了上万倍,形成了超过350亿美元的计算机硬盘市场。除硬盘读头外,各类基于GMR/TMR材料的磁电子器件包括传感器芯片、磁电信号耦合芯片、磁性逻辑及磁随机存储(MRAM)芯片等具有超过1000亿美元的巨大市场前景。鉴于巨磁电阻效应的巨大学术价值和市场前景,2007年诺贝尔物理学奖授予了两位发现者法国的A.Fert教授与德国的P.Grünberg教授。本文在简要总结巨磁电阻材料和隧穿磁电阻材料的基础上,概述了相关自旋电子芯片的研究现状并对在我国实现自旋电子芯片的产业化提出了自己的观点。2gmr旋转关节结构自巨磁电阻效应被发现以来,磁电子功能材料研究进展非常迅速,目前已从早期的巨磁电阻(GMR)纳米多层膜材料发展为自旋阀材料,再发展至隧穿磁电阻(TMR)材料,已成功应用于计算机硬盘读头、传感芯片、信号耦合芯片及存储芯片之中。巨磁电阻材料是由纳米铁磁(如Co)薄膜和纳米非磁性薄膜(如Cu)交叉叠加而形成的多层膜(FM/Cu)nFM材料。巨磁电阻效应的基本原理可由“铁磁/非铁磁/铁磁”三明治结构中的电子传输和散射机制予以解释(如图1所示)。在金属铁磁材料中,自由电子由与材料磁矩平行的自旋向上的多数电子和与材料磁矩反平行的自旋向下的少数电子组成。若组成三明治结构的两个铁磁层的磁矩平行(图1(a)),多数电子从一个铁磁层传输至另一铁磁层时,在材料界面和体内不会受到自旋散射的影响,整个三明治结构的材料将呈现低阻态;然而若两个铁磁层的磁矩为反平行时(图1(b)),多数电子从一个铁磁层传输至另一铁磁层时,在材料界面和体内将受到较强的自旋散射作用,整个材料将呈现高阻态。由纳米铁磁(如Co)薄膜和纳米非磁性薄膜(如Cu)交叉叠加而形成的巨磁电阻多层膜(FM/Cu)nFM材料,通常饱和场比较大,所制成的器件灵敏度低,因而器件的应用受到了局限。在1991年,Dieny发现通过铁磁与非铁磁材料之间的交换耦合作用,可将三明治结构中的一层铁磁材料用一层反铁磁材料钉扎住而使其磁化方向不随外加磁场变化,而另一层未被钉扎的铁磁层则可自由随外磁场而变化。这种新发现的巨磁电阻材料对外界磁场的响应更加灵敏,被称为GMR自旋阀材料。图2所示为简单自旋阀材料的基本结构和工作原理示意图。如图2(a)所示,GMR自旋阀材料基本结构由自由铁磁层、非磁性导电层Cu、被钉扎层和钉扎层4层所组成。自由铁磁层通常是NiFeCo、CoFe或其组合;被钉扎层通常是NiFeCo、CoFe或复合层结构CoFe/Ru/CoFe;钉扎层通常是IrMn、NiMn、PtMn或CrPtMn。被钉扎层的磁化方向通过与反铁磁钉扎层的交换耦合作用固定在纵轴方向(y轴方向)。而自由层的磁化方向没被固定,可随信号磁场的变化而转动,从而导致GMR的变化。GMR的变化量(ΔR)正比于自由层磁化方向与x轴夹角(θ)的正弦值。自旋阀材料中的反铁磁钉扎层与被钉扎层之间交换耦合场Hex,表征了钉扎层对被钉扎层的钉扎强度,可采用磁滞回线和磁阻曲线两种方法进行测量和表征,两种曲线存在对应关系。图2(b)和(c)分别为自旋阀材料的磁滞回线和磁阻曲线示意图,图中带箭头虚线和实线分别表示自由层磁化方向和被钉扎层磁化方向,被钉扎层的磁化方向被固定在y轴的负方向上,其磁化翻转过程如下所述。首先施加一个反向外场,使自由层的磁化方向在负方向上饱和(图2(b)中A点处),与被钉扎层的磁化方向平行,这时自旋阀材料处于低阻态(图2(c)中A点处);随后,反向磁场逐渐减小,通过零点后变为正向磁场,当正向磁场强度超过了自由层的矫顽力时,自由层的磁化方向发生翻转,与被钉扎层的磁化方向反平行(图2(b)中B点处),自旋阀材料处于高阻态(图2(c)中B点处);当正向磁场继续增大,超过了自旋阀材料中铁磁/反铁磁交换耦合强度Hex及被钉扎层的矫顽力之和时,被钉扎层的磁化方向也发生翻转,与自由层的磁化方向平行,此时材料又处于低阻态((图2(c)中C点处)。反之亦然,从图2(b)中的C点处开始随着正向磁场减小到Hex磁场以下,由于交换耦合作用,被钉扎层的磁化方向首先发生翻转,材料由低阻态变为高阻态。当正向磁场继续减小通过零点后变为负向磁场,当负向磁场强度大于自由层矫顽力时,自由层的磁化方向变为负向,材料由高阻态变为低阻态。自旋阀材料按结构可分为3种类型:顶钉扎自旋阀材料、底钉扎自旋阀材料以及对称自旋阀材料,如图3所示。其中典型的顶钉扎自旋阀材料从下而上分别为自由层、非磁性导电层(通常为Cu)、被钉扎层和钉扎层。底钉扎自旋阀材料自下而上分别为钉扎层、被钉扎层、非磁性导电层和自由层。而对称自旋阀材料则由底钉扎自旋阀结构和顶钉扎自旋阀结构共用中间的自由层形成。采用哪一类自旋阀材料取决于所研制器件的类型与用途。当器件被用作通用磁敏传感器时,要求自旋阀自由层的磁滞要小,通常采用顶钉扎自旋阀材料;当器件用作计算机读头时,由于传感读头两端需要被硬磁偏置,通常采用底钉扎自旋阀材料。对称自旋阀材料由于自由层的磁滞和橘皮耦合效应较大,通常不作传感器件应用,可应用于逻辑器件。在器件应用中要求GMR自旋阀材料具有较大的铁磁/反铁磁交换耦合强度和较好的热稳定性。图4所示为本课题组所研制的GMR自旋阀材料的磁阻曲线,材料的磁阻变化率为9.9%,钉扎层和被钉扎层之间的交换耦合强度超过了71.64kA/m,满足传感器器件研制的要求。GMR自旋阀材料性能好,能满足传感器件的性能需求,但在自旋存储芯片(MRAM)应用中,由于存储单元小,其电阻过低而在应用中受到限制。在目前国内外大多数研究中,MRAM中的器件存储单元,多采用了隧穿磁电阻(TMR)材料。TMR材料的结构与GMR自旋阀材料的结构类似,不同之处在于TMR材料中,一层很薄的绝缘阻挡层(如Al2O3或MgO)取代了自旋阀材料中的非磁性导电Cu层。TMR自旋阀器件的传导模式也不同于自旋阀器件,其电流通过隧穿效应垂直穿越绝缘薄层进行传导,而不是在平面内传导。使用非晶Al2O3薄膜作为绝缘阻挡层的TMR器件的隧穿磁阻变化可达70%,使用结晶MgO薄膜作为绝缘阻挡层的TMR器件可使隧穿磁阻变化进一步提高。D.D.Djayaprawira等在2005年制备了CoFeB/MgO/CoFeB隧穿磁电阻材料,得到室温下230%的磁电阻。J.Hayakawa等在2006年制备了室温磁电阻达到472%的CoFeB/MgO/CoFeB隧穿磁电阻材料。S.Ikeda等在2008年在经过高温退火的CoFeB/MgO/CoFeB隧穿磁电阻材料中得到了室温下604%的磁电阻比值。这些研究为研制高灵敏度传感器件和自旋存储芯片打下了材料基础。3磁问题的基础研究西方发达国家在过去20余年里,已逐步实现了自旋传感芯片、自旋磁电信号耦合芯片、磁逻辑和存储芯片的产业突破,形成了基础研究与实际应用的良性循环和相互促进。我国相关科研机构也在磁电子材料和自旋芯片上做了大量的基础研究工作,但在产业化方面却停滞不前。3.1gmr传感芯片基本制备工艺及测试结果美国是最早启动自旋电子芯片特别是自旋传感芯片研究的国家。在巨磁电阻效应被发现的第二年(1989年),美国Honeywell公司就拆分出美国NVE公司进行自旋电子芯片的研究与产业化。在政府和军方的资助下,NVE率先研制出GMR传感芯片,于1994年推出世界上第一款GMR多层膜传感芯片。该公司在随后又推出了较为完整的GMR自旋阀传感芯片、TMR传感芯片等系列产品,成为在美国纳斯达克上市的世界知名的自旋电子芯片高科技公司。除NVE公司外,世界上许多跨国企业包括霍尼韦尔、英飞凌、IBM、博世、日立等都在进行集成自旋电子传感芯片的研发和产业化工作。自旋传感芯片,比如GMR自旋阀传感芯片,通常采用惠斯通电桥结构。但是如果组成惠斯通电桥结构的4个电阻对外场的响应特性相同,电桥将没有信号输出。要实现电桥的信号输出,在设计上可采用两种方法:第一种方法是将组成惠斯通电桥的4个电阻中的两个用软磁材料将其屏蔽,如图5(a)所示。在这种结构中,在外场作用下,有屏蔽层的两个电阻阻值不受影响,未被屏蔽的两个电阻阻值发生变化,使电桥输出发生改变。整个电桥的输出反映外场的大小;第二种方法是采用推拉结构的惠斯通电桥,如图5(b)所示,当一对电阻(如R1、R3)的阻值随外场的增大而增大,另外一对电阻(R2、R4)会随着外场的增大而减小,从而形成推拉输出。GMR自旋阀传感芯片的基本制备工艺过程如下:首先将沉积在硅片上的GMR自旋阀薄膜材料经过光刻、离子束刻蚀形成蛇形电阻,然后通过沉积绝缘层及开孔,再沉积金属及光刻、刻蚀等将蛇形电阻互联形成惠斯通电桥。对于带磁屏蔽层的惠斯通电桥结构(设计方法1),还需要在电桥的一对电阻上方通过电镀沉积一层厚的软磁屏蔽层,最后再在上面沉积一层绝缘层并刻蚀暴露接触孔。器件工艺完成后,就可进行测试和分析。图6是对本文研制的GMR自旋阀传感芯片的测试结果。图6(a)为磁屏蔽结构的GMR传感芯片的磁场响应曲线,其工作范围为-398~398A/m、磁滞小,灵敏度约为4mV/A·m-1-V。图6(b)为推拉结构的GMR传感芯片的磁场响应曲线,其工作范围为-2786~2786A/m、磁滞小,灵敏度约为0.6mV/A·m-1-V。该传感芯片的性能还可通过提高屏蔽层的软磁性能和集成磁场反馈线圈的方法进一步优化,减小磁滞和提高线性度。运用补偿电路的自旋传感芯片需将自旋敏感单元、放大器和反馈线圈集成起来。传感芯片输出电压被放大后产生的输出电流流经反馈线圈产生磁场。所产生磁场与被测磁场强度相同,但方向相反。运用该磁场反馈方法可以改善传感器的线性度,并增宽动态测量范围。然而,集成反馈线圈的方法会使器件能耗大大增加,并使器件工艺更加复杂。以自旋传感芯片为基础,与IC芯片相结合,可进一步制备集成磁开关等各类磁敏数字传感芯片。图7为本课题组研制的自旋数字磁敏传感芯片的电路示意图和测试结果,该器件频率响应特性好,频响范围从DC到大于100kHz,可广泛应用于工业控制、消费电子与汽车电子等领域。3.2tmr传感芯片的输出特性与GMR自旋阀传感芯片一样,TMR自旋传感芯片通常采用惠斯通电桥结构,如图8所示。图8中将4个TMR磁敏电阻(脚电阻)连接成惠斯通电桥。其中两边的一对电阻上方有NiFe软磁屏蔽层(图中矩形所示),另外中间一对电阻没有屏蔽。每个脚电阻由一系列TMR磁敏电阻单元串联而成。有屏蔽的这两个脚电阻不会受外场影响。没有屏蔽的两个脚电阻受外场影响电阻发生变化。整个电桥的输出即反映了外场大小。软磁屏蔽层不仅可以屏蔽外场对两侧电阻的影响,同时还可将外场放大,提高传感器的灵敏度。图9为NVE公司制备的TMR传感芯片的响应曲线。该响应曲线较为理想,这里的“理想”是指输出信号在较宽的磁场范围内是线性的(磁滞较小或者没有磁滞)。传感器的灵敏度很好,约为15mV/A·m-1-V。根据此传感器制成的三维磁性传感器可测纳特量级的微磁场,如果进一步优化传感器设计,应该可以测量皮纳特量级超微磁场。TMR材料由于在外场下其电阻阻值变化非常灵敏,主要应用于探测超微磁场。提高TMR磁敏电阻单元对磁信号的响应率和减小其噪声是设计和制备高分辨力特别是皮特级磁敏传感器的关键。TMR磁敏电阻单元中存在两类噪声:白噪声和类1/f噪声。白噪声包括热噪声和电子扰动噪声。类1/f噪声包括1/f噪声和磁噪声。磁噪声可通过使TMR磁敏电阻单元的自由层单畴化而消除。基于GMR/TMR材料的自旋传感芯片应用领域广阔:电流探测、位置探测、转速测量、流量检测、无损探测、无人地面传感器、探雷、接近开关、磁卡读头、磁罗盘、3-X传感器、GPS应用、验钞机、心脏起搏器、磁引信、导弹导航、海洋矿物探测、陆上车辆和水下不明物如潜艇等的监控和探测等。3.3提取系统及实验结果美国NVE在上世纪90年代中期成功研制GMR自旋阀传感芯片的基础上,提出了进一步研制基于GMR自旋阀敏感单元的磁电信号耦合芯片。自1998年起,该公司获得了美国政府和军方的连续资助,成功研制和产业化了自旋磁电信号耦合芯片。除NVE外,ADI、霍尼韦尔、安捷伦等大公司均在进行自旋磁电信号耦合芯片的研究和产业化工作。信号耦合器件的功能是消除地面可能产生的严重影响数据传输的回路电流及其伴生的噪声。目前耦合器件市场上的主流产品是光电耦合器件,其具有几个本质缺点:体积大、速度慢(<10MHz)、不易集成、不抗辐射和容易老化,已越来越不适应现代高速电子系统的要求。可以预见,在未来光电耦合器件难以应对高速电子系统要求的情况下,自旋磁电信号耦合器件将会发挥越来越重要的作用。图10为自旋磁电信号耦合器件与光电耦合器件原理比较示意图:光电耦合器件用光来传递信号,而自旋磁电信号耦合器件用磁场传递信号。自旋磁电信号耦合器件的具体工作原理是先将电信号转换成磁场信号,然后通过磁传感器来接收传递,再经过电路重构放大输出信号。图11(a)为未与IC集成的线性模拟信号耦合芯片的测试单元版图。线圈下面是形成惠斯通电桥的4个自旋阀敏感电阻单元,敏感单元的敏感方向垂直于线圈的跑道。在线圈上面是一层软磁屏蔽层,其功能是一方面屏蔽外磁场影响;另外一方面是放大线圈中的电流信号产生的磁场。在器件工艺完成后,金属线圈和自旋阀敏感电阻单元被12μm的BCB聚合物材料绝缘隔离。该BCB厚膜具有超过2kV击穿电压的耐受能力。工艺完成后的器件显示非常好的性能,磁滞很小,电桥的offset小于2mV。图11(b)为制备的测试器件的输出电压相对于金属线圈中的电流大小变化的响应曲线,器件的工作区间是从-20~+20mA。在-10~+10mA范围内,非线性度低于0.05%。器件对信号电流的灵敏度为1.27mV/V-mA。与IC相结合的自旋磁电信号耦合芯片的制造工艺比较复杂。图12所示为将IC与自旋敏感单元集成在一起的自旋磁电信号耦合器件的工艺剖面图。可通过5步掩膜工艺流程将GMR功能结构直接集成在半导体电路芯片上使之成为高度集成的自旋磁电信号耦合芯片。图13为一个五通道数字自旋磁电信号耦合芯片的版图,尺寸为650μm×3920μm。在器件制作中,一层11μm的绝缘隔离层将自旋阀电阻和信号输入线圈之间绝缘隔离开来。这层绝缘隔离层的存在,使得器件的击穿电压>2000V。线圈的驱动电流仅需4.5mA,就可使器件正常工作。自旋磁电信号耦合器件的响应速度很快,图14为测量得到的信号响应结果。每个通道的传输速度都大于50MHz,传输延迟在10.5和11.5ns之间,上升时间和下降时间均小于4.5ns。自旋磁电信号耦合芯片可广泛应用于计算机网络接口、数据传输、电信、传感器、仪器、移动电子和医疗设备等领域。在国内,东方微磁科技有限公司与南京大学、杭州电子科技大学合作,开展基于磁电子材料的新型具有非易失性锁存功能的多通道数据隔离耦合接口芯片研究,该芯片可将数据接收、隔离耦合传输、数据存储有机结合起来,可进一步拓宽自旋磁电信号耦合芯片的功能和应用。3.4mram的产业化设计国际大公司在进行自旋存储器件的研究和产业化方面,注重基础研究和产业化技术的积累,逐步推进和完成从自旋传感芯片和自旋磁电信号耦合芯片到自旋存储器件的研制与产业化。在1989年,从美国Honeywell分拆出来的NVE公司的早期目标就是实现自旋存储芯片(MRAM)的产业化,但在其研究和产业化的过程中,发现仅仅有基础研究和设想是远远不够的,还需要很强的技术积累和投入。在1995年,NVE将MRAM专利授权给美国摩托罗拉公司,后者投资数亿美元开展MRAM研发工作,并于2004年将半导体部独立出来成立了Freescale公司。在2008年,Freescale公司再将MRAM业务拆分出来组建了新公司Everspin,专注于开展自旋存储器件的研制与产业化。自旋存储器件具有静态存储器(SRAM)的高速度、动态存储器(DRAM)的高密度和闪存(Flash)的非易失性功能,集诸多优点于一身,有可能成为未来的通用存储器件,具有巨大的产业化前景,已吸引了国际上包括IBM、英飞凌、TDK、东芝、索尼、瑞萨、三星、海力士等众多高科技公司开展相关研发与产业化工作。MRAM靠磁阻存储单元来存储数据“1”或“0”。所用最多的是TMR存储单元,其通过改变自由层的磁化方向来实现信息的写入和存储。目前主要有两种实现MRAM的设计方案:一种是靠外加磁场实现信息写入和存储的方案;另外一种是基于自旋动量转移效应的STT-MRAM方案,靠流过TMR存储单元的电流实现信息的写入和存储。图15所示为靠外加磁场实现写入和存储的MRAM存储单元阵列,每个存储单元包含一个TMR存储单元和一个晶体管。TMR存储单元的态通过外加磁场来改变,该磁场由两条互相垂直的“写”线上的导通电流产生,两条线的交叉点即TMR存储单元所在位置。两条线所产生的两个外磁场共同作用决定了TMR存储单元自由层的取向及该单元的态。该设计方案有两个缺点:第一个缺点是半选位线和数据线干扰整行或整列的存储单元,该缺点可以通过使用一种合成反铁磁自由层结构和“toggle”信息写入方案而得到改善;第二个缺点是能耗较高,随着TMR磁性单元尺寸减小,产生所需磁场的电流将增大。上述两个缺点限制了采用外加磁场设计的MRAM的存储密度,使其很难随着半导体制程工艺的提高而增加。在2002年,Cypress利用NVE的MRAM专利技术成功地研制了256kb的存储芯片。但由于上述原因对MRAM存储密度的限制,Cypress于2005年宣布退出MRAM的研制和生产。目前Everspin是通过外加磁场设计方案实现MRAM产业化的唯一一家高科技公司,已经形成了从256kb到16Mb的于外加磁场设计方案的MRAM系列商业化产品。图16为Freescale在2005年研制的4Mb的MRAM芯片的存储单元结构及芯片照片。由于基于外加磁场设计方案的MRAM的存储密度受到限制,研究人员转向采用另外一种基于自旋动量转移效应的STT-MRAM设计方案,从而为进一步提高MRAM的存储密度提供了可能性。该方案利用通过TMR存储单元的电流的自旋动量转移效应来“保持/转换”所选择的TMR存储单元的自由层的磁矩取向,该方案所设计的MRAM芯片不需要外磁场来进行信息的写入和编程,其存储密度也可以随着半导体制程工艺的提高而增加。图17给出了一个STT-MRAM存储单元阵列的电路图。在2005年,Sony首次用STT-MRAM测试芯片验证了该设计方案的可行性。在2007年,Hitachi制备和演示了2Mb的STT-MRAM芯片。在2012年11月,Everspin宣布成功研制了64Mb的STT-MRAM,并将选择用户推广使用。图18为Everspin生产的STT-MRAM芯片图。尽管如此,在STT-MRAM大规模产业化时,必须解决芯片制作中的均匀性与重复性以及器件应用中的稳定性等问题。在芯片设计中,一个需考虑的问题是需要在存储单元的热稳定性和翻转电流阈值两者之间进行权衡:将STT-MRAM存储单元的编程写电流密度降至105A/m,并保持数据存储的热稳定性。研究人员发现采用具有垂直磁各向异性的隧穿磁电阻结构制作存储单元,这种结构由于垂直磁各向异性能较大,在器件稳定性方面具有一定优势。另外利用自旋动量转移效应还可实现对磁畴壁的驱动,并可以此来实现赛道存储器的研制,研究人员报道了采用垂直磁各向异性的Co/Ni纳米线制作的6bit寄存器,与CMOS集成的镍铁合金纳米线赛道寄存器。3.5微波频率调节以GMR/TMR材料为基础,利用自旋动量转移效应可进一步制备高频自旋转移矩振荡器(STOs)。该振荡器是一种可调的微波频率源和探测器。当STOs器件处于直流驱动的磁进动模式时,由于自旋转移矩效应,电极上会发出大量的微波频率信号。电阻也按微波